EP0765590A1 - Transducteur ultrasonore et procede de fabrication d'un tel transducteur - Google Patents

Transducteur ultrasonore et procede de fabrication d'un tel transducteur

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Publication number
EP0765590A1
EP0765590A1 EP95922584A EP95922584A EP0765590A1 EP 0765590 A1 EP0765590 A1 EP 0765590A1 EP 95922584 A EP95922584 A EP 95922584A EP 95922584 A EP95922584 A EP 95922584A EP 0765590 A1 EP0765590 A1 EP 0765590A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
substrate
fixed electrode
silicon nitride
membrane
Prior art date
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Ceased
Application number
EP95922584A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Béatrice BONVALOT
Minh-Trang Chau
Gabriel Marquette
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Itron Soluciones de Medida Espana SA
Schlumberger SA
Original Assignee
Itron Soluciones de Medida Espana SA
Schlumberger SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Itron Soluciones de Medida Espana SA, Schlumberger SA filed Critical Itron Soluciones de Medida Espana SA
Publication of EP0765590A1 publication Critical patent/EP0765590A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer consisting of a membrane and a fixed electrode as well as to the methods for producing said membrane and fixed electrode and to the method for manufacturing said ultrasonic transducer from the membrane and the electrode. fixed.
  • piezoelectric effect transducers which conventionally consist of a ceramic piezoelectric disc mounted on a substrate and provided with one or more adaptation layers d 'impedance.
  • the ceramic structure of such a transducer can resonate radially or according to its thickness or even in a combined manner. These transducers are very resonant up to frequencies above 100 kHz and over a narrow frequency band but nevertheless offer poor efficiency in terms of radiated power.
  • the second major family of ultrasonic transducers of the bimorph type are these transducers which generally consist of a vibrating membrane under which a piezoelectric disc is disposed.
  • transducers which are more sensitive than the aforementioned piezoelectric effect transducers, are very resonant but, on the other hand, do not make it possible to reach resonant frequencies greater than 100 kHz.
  • the Applicant has realized that it would be advantageous to be able to manufacture very resonant ultrasonic transducers with a defined resonance peak with an easily reproducible precision from one transducer to another and according to an inexpensive manufacturing process.
  • This resonance peak should be able to be obtained over the ultrasonic range and in particular from 100 kHz.
  • the present invention thus relates to an ultrasonic transducer comprising a silicon nitride membrane with a thickness of between 0.1 and 0.5 ⁇ m with an intrinsic mechanical stress between 100 MPa and 1.3 GPa, and a fixed electrode produced in rigid non-metallic material and provided with a plurality of orifices of small average diameter, said fixed electrode defining with said membrane an internal space of thickness between 1 and 5 ⁇ m.
  • This ultrasonic transducer has, because of its manufacturing process, all the qualities required to have an adjustable ultrasonic resonance frequency, greater than 20 kHz, defined with high precision which is moreover perfectly reproducible. This is due in particular to the low mass and the high rigidity of the membrane which can be obtained by the manufacturing process. It is entirely possible to give the membrane an intrinsic mechanical stress between 100 MPa and 1.3 GPa and thus adjust the resonance frequency of the ultrasonic transducer to a value between 20 kHz and 1 MHz.
  • the silicon nitride membrane has a thickness preferably of between 0.3 and 0.5 ⁇ m
  • the fixed electrode is made of semiconductor material or ceramic
  • the fixed electrode has a thickness greater than 20 ⁇ m, - the orifices of the fixed electrode have an average diameter of between 25 and 100 ⁇ m.
  • the present invention also relates to a process for producing a membrane used in the manufacture of the aforementioned ultrasonic transducer, characterized in that it consists in performing the following steps:
  • an electrical insulating layer is formed on two opposite faces, called front and rear, of a substrate made of semiconductor material,
  • a layer of silicon nitride is deposited on each of the two layers of insulator, a material suitable for the reduction of the intrinsic mechanical stress of said layer of silicon nitride is implanted ionically in the layer of silicon nitride situated on the front face of said substrate;
  • said substrate is etched anisotropically from its rear face, - c) and the insulating layer located on the front face of the substrate is selectively etched
  • this method includes a step of ion implantation of a thin layer of silicon nitride, for example of the order of 0.1 to 0.5 ⁇ m, which makes it possible to reduce the intrinsic mechanical stress of said layer. .
  • the ions thus implanted create defects in the layer of silicon nitride, consequently inducing a relaxation of the intrinsic mechanical stress.
  • the ion implantation is carried out with a dose of ions coming from a material belonging to columns III to V of the periodic table of the elements and, for example from Boron, between 5.10 13 and 5.10 15 ions / cm 2 and the acceleration energy of these ions is between 35 and 150 keV.
  • the energy of the ions is calculated so as to obtain the maximum of ions at the interface between the layer of silicon nitride and the layer of underlying electrical insulator.
  • An annealing operation is then carried out on the substrate coated with its layer of ion-implanted silicon nitride in order to increase the mechanical stress of said layer.
  • Annealing takes place in a range of temperatures from 500 to 800 ° C. for a period of between 15 minutes and a few hours. Thanks to annealing, it is therefore possible to precisely adjust the ultrasonic resonance frequency to the desired value. Furthermore, annealing provides better reproducibility of the mechanical stress values in the membrane from one substrate to another compared to a simple ion implantation.
  • Annealing also improves the long-term stability of the mechanical stress in the silicon nitride layer and therefore improves the stability of the future ultrasonic transducer.
  • the Applicant has realized that it is more advantageous to use a layer of silicon nitride (membrane) of thickness between 0.3 and 0.5 ⁇ m in order to reduce its brittleness and therefore improve its mechanical behavior during the following steps of forming the membrane by etching as well as the other steps.
  • this thickness range constitutes the best possible compromise between the solidity of the membrane and its sensitivity, in terms of conversion of mechanical energy into acoustic energy and also of conversion of acoustic energy into mechanical energy.
  • the electrical insulating layer is formed by thermal oxidation of the two faces of the substrate and the insulating layer has for example a thickness of 1 ⁇ m, and this thickness can even be less than 1 ⁇ m.
  • the electrical contact is obtained by metallization of the rear face of the substrate.
  • the layers of silicon nitride and insulator which remain on the rear face of the substrate are removed by selective etching.
  • the silicon nitride layer is deposited, its ion implantation, optionally its annealing and then, said ion implanted silicon nitride layer is structured so as to leave the peripheral insulating layer which will be used to release define the internal space and which will receive for example a sealing agent such as "PYREX" for the final assembly of the ultrasonic transducer.
  • a sealing agent such as "PYREX” for the final assembly of the ultrasonic transducer.
  • this embodiment allows better control of the formation of the internal space between the membrane and a fixed electrode.
  • the thickness of the layer of electrical insulator which is for example formed by thermal oxidation of the two faces of the substrate has a thickness which must be greater than 1 ⁇ m thus making it possible to predetermine the thickness of the internal space.
  • the present invention also relates to a method for producing a fixed electrode used in the manufacture of the aforementioned ultrasonic transducer, characterized in that it consists in carrying out the following steps from a substrate of semiconductor material having two opposite faces say front and back:
  • At least one protective layer is formed on the rear face of said substrate - the fixed electrode is formed, on the one hand, by selectively etching said protective layer located on the rear face of the substrate and, on the other hand, by etching anisotropically said substrate from its rear face, after having previously protected the front face against anisotropic etching, - one etches in said substrate a main cavity located opposite said fixed electrode and at least one secondary cavity intended to electrical contacts,
  • At least one layer of electrical insulation is formed in the. central cavity and in at least one secondary cavity, - a metal protective layer is formed on the front face of the substrate, - Selectively etching in line with said main cavity said metallic layers, of insulation and the fixed electrode so as to form a plurality of orifices in said fixed electrode.
  • the main cavity is between 1.5 and 2.5 ⁇ m deep.
  • the protective layer on the rear face of the substrate is made of an electrical insulator resistant to etching agents and can be made of silicon nitride, but it is then preferable to perform an ion implantation of said layer with a material belonging to columns III. to V of the periodic classification of the elements with a view to reducing the intrinsic mechanical stress of the latter and therefore of adapting this stress to that of the substrate.
  • first layer in contact with said substrate being formed of an electrical insulator such as an oxide and a second layer of silicon nitride on which it does not it is not necessary to perform an ion implantation since it is not in direct contact with the substrate.
  • the electrical insulator layer is then formed in the main cavity and in at least one secondary cavity by deposition of an electrical insulator layer and then by etching of said layer.
  • the layer of electrical insulator is etched in the secondary cavity provided to establish electrical contact with the substrate.
  • said metallic protective layer is etched so as to form electrical contacts facing the main and secondary cavities. It is also possible to subsequently make electrical contact with the substrate and, on the other hand, to form the orifices of the fixed electrode before making this contact, but this further complicates the process.
  • the invention also relates to a method of manufacturing the aforementioned ultrasonic transducer from the membrane and the fixed electrode respectively obtained by the previously mentioned methods.
  • a sealing agent is deposited on a peripheral part of the front face of the membrane or of the fixed electrode, the membrane is positioned opposite the fixed electrode and they are assembled so that they form between them an internal space of small thickness, for example between 1 and 5 ⁇ m.
  • the sealing agent used can be an adhesive, "PYREX” (registered trademark) or any other suitable sealing agent.
  • the sealing agent is "PYREX”
  • the assembly is done by an anodic sealing and it is therefore planned, before depositing the "PYREX”, to remove from the front and rear faces of the fixed electrode the remaining parts various layers having served as protection, to remove from the front face of the membrane the possible protective layer and to form on the non-etched areas of said front face of the fixed electrode a final protective layer.
  • FIGS. 1 to 12 are cross-sectional views each representing an important step in the process for producing a membrane used for the manufacture of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 13 to 23 are cross-sectional views each representing an important step in the process for producing a fixed electrode used for the manufacture of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the invention
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing the ultrasonic transducer assembled according to the invention.
  • FIG. 25 shows a frequency response curve of an ultrasonic transducer according to the invention with a resonant frequency at 100 kHz.
  • the production methods according to the invention obviously make it possible to simultaneously produce several membranes and several fixed electrodes from the same substrate for each process and therefore therefore to simultaneously manufacture several ultrasonic transducers in the form of '' a network of transducers.
  • a substrate 1 of p-doped average resistivity 1 between 1 and 20 ⁇ / cm is used, and for example a monocrystalline silicon wafer whose crystal orientation is of the type ⁇ 100> of equal thickness at 520 ⁇ m and which has two large opposite faces 1a, 1b called front and rear.
  • This wafer 1 is cleaned in the usual manner and then an electric insulating layer 2, 3 is formed on each of its large opposite faces.
  • thermal oxidation of the silicon is carried out for example on 1 ⁇ m as shown in the figure. 1.
  • the next step, the result of which is illustrated in FIG. 2, consists in delimiting the internal space which will form with the membrane and the fixed electrode a variable capacity.
  • a layer of photosensitive resin (not shown) is deposited, for example with a spinner, on the oxide layer 2 on the front face 1a of the wafer 1, annealing is carried out at 60 ° C., a photogravure mask (not shown), with said wafer, this resin layer is exposed through said mask, the exposed resin layer is developed with the mask, another annealing is carried out at 120 ° C., an etching of the oxide layer 2 in the central part using an etchant such as hydrofluoric acid in dilute solution to form the internal space.
  • an etchant such as hydrofluoric acid in dilute solution to form the internal space.
  • the next step (fig. 3) of the process consists in depositing a layer of silicon nitride 4, 5 of between 0.1 and 0.5 ⁇ m and for example around 0.3 ⁇ m on each of the two oxidized faces or partially oxidized from the wafer 1. This deposition is carried out, for example, by a known technique of low pressure chemical vapor deposition (LPCVD).
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • An ion implantation is then carried out, in the silicon nitride layer 4 situated on the front face of the wafer, of a material belonging to columns III to V of the periodic table of the elements, such as for example boron in order to reduce the intrinsic mechanical stress of said layer of silicon nitride (FIG. 4).
  • a material belonging to columns III to V of the periodic table of the elements such as for example boron
  • Another suitable material for ion implantation of oxygen can also be used.
  • an ion dose between 5.10 " ! 3 and 5.10 15 ions / cm 2 is used, for example equal to 2.10 15 ions / cm 2.
  • the ion acceleration energy is between 35 and 150 kev and is for example equal to 100 kev. The choice of the dose of ions and the energy of acceleration is made according to their size and their mass.
  • an annealing operation is carried out in an oven at a temperature of 600 ° C. for 30 minutes.
  • annealing therefore makes it possible to increase the intrinsic mechanical stress of the silicon nitride and to obtain this stress with great precision and thereby the resonance frequency of the future ultrasonic transducer, which is very useful if the stress was too strongly reduced during ion implantation or if the constraint approaches by desired value the desired value but with insufficient precision.
  • this membrane is then structured from the face back.
  • a layer of photosensitive resin (not shown) is deposited on the spinner on the rear face of the wafer, that is to say on the outer face of layer 5, an annealing is carried out at 60 ° C.
  • a photogravure mask (not shown) with the wafer, this layer of resin is exposed through said mask, another annealing is carried out and carried out at 120 ° C.
  • the silicon nitride layer 5 is selectively etched by reactive ion attack (RIE) in the presence of sulfur hexafluoride and oxygen ions (dry etching), then the oxide layer 3 by wet etching. in a 1: 7 HF / NH4F solution.
  • RIE reactive ion attack
  • the oxide layer 3 by wet etching. in a 1: 7 HF / NH4F solution.
  • the remaining photosensitive resin layer is then removed and the surfaces are conventionally cleaned.
  • a peripheral zone is then obtained formed by a part 5a of the silicon nitride layer and by a part 3a of the oxide layer leaving the rear face 1b of exposed on a central zone. plate 1.
  • a photogravure is then carried out on the front face of the wafer so as to etch the layer 4 of silicon nitride to reveal the peripheral zone 2a of the oxide layer 2.
  • This photogravure is identical to that described previously and comprises the following steps :
  • a layer 6 of "PYREX 7740" (registered trademark) between 1 and 3 ⁇ m and for example 2 ⁇ m is deposited by cathodic deposition or by vacuum evaporation.
  • a photogravure is then carried out on the front face of the wafer 1 so as to etch the layer 6 of "PYREX” to reveal the remaining central zone 4a of the layer 4 of ionically implanted silicon nitride and thus form a peripheral zone 6a of the layer of "PYREX” (figure 8). This photoengraving is carried out according to the steps explained above:
  • Layer 6 of "PYREX” is then etched (wet etching) in a dilute HF solution.
  • sealing agent which can be an adhesive and for example a polyimide or an epoxy resin, is deposited only after having produced the membrane and the fixed electrode, just before assembly.
  • Another variant could consist in preforming the internal space by structuring a peripheral zone 2a of the oxide layer 2 on the front face of the wafer 1 as already described but in depositing the layer of "PYREX” only after having carried out the membrane and the fixed electrode. For this variant, it is however advisable to etch this layer of "PYREX” before considering sealing the membrane and the fixed electrode.
  • a first step we anisotropically etches the silicon wafer 1 from its exposed rear face 1b, using a solution containing the KOH etching agent diluted to 30% and brought to a temperature of around 70 to 90 ° C.
  • the wafer 1 is etched until a thickness of silicon for example of 5 ⁇ m is obtained before reaching the central zone 4a of the layer of silicon nitride 4.
  • provision may be made to protect, for example mechanically with a glass plate, the front face 1a of the wafer.
  • a second step (fig.10) then consists in eliminating from the rear face
  • This step can be carried out by selective etching, on the one hand, by reactive ion attack in the presence of hexafluoride ions in zone 5a of the layer of silicon nitride and, on the other hand, by wet etching in a solution
  • FIG. 11 represents the third stage of structuring of the membrane which consists in carrying out another anisotropic etching in 13
  • This metallization layer 7 can be carried out by cathodic deposition or by vacuum evaporation.
  • a substrate 10 of p-doped average resistivity between 1 and 20 ⁇ / cm, is used, and for example a monocrystalline silicon wafer whose crystal orientation is of the type ⁇ 100>, of thickness equal to 520 ⁇ m and which has two large opposite faces 10a and 10b called front and rear.
  • This wafer 10 is cleaned in the usual way and then at least one protective layer is formed, consisting of an electrical insulator resistant to etching agents on the rear face 10b of said wafer.
  • at least one protective layer is formed, consisting of an electrical insulator resistant to etching agents on the rear face 10b of said wafer.
  • two protective layers are formed on each face 10a, 10b of the wafer.
  • a first layer 11, (resp.12) is formed by thermal oxidation of the silicon on the front face 10a (resp. On the rear face 10b) over a thickness of between 0.1 and 0.3 ⁇ m and for example equal to 0.2 ⁇ m.
  • a second layer 13 (resp. 14) of thickness between 0.1 and 0.3 ⁇ m, for example equal to 0.2 ⁇ m, is formed on layer 11 (resp. 12) by chemical vapor deposition at low pressure (fig. 13).
  • the first step in producing the fixed electrode is carried out by selective etching of the protective layers of silicon nitride 14 and oxide 12 located on the rear face 10b of the wafer 10. To do this, a photogravure of the rear face 10b is carried out by carrying out the steps already described in detail during the production of the membrane:
  • the layer 14 of silicon nitride is etched by reactive ion attack (RIE) in the presence of sulfur hexafluoride ions and oxygen (dry etching) then the layer 12 of oxide is etched by wet etching in an HF / NH4F solution 1: 7.
  • RIE reactive ion attack
  • the remaining photosensitive resin layer is then removed and the surfaces are conventionally cleaned.
  • FIG. 14 shows that the protective layers have been etched in their central part in order to release the central part from the rear face 10b of the wafer which will be subjected to an anisotropic attack.
  • the next step consists in performing an anisotropic etching of the silicon wafer 10 from its rear face 10b with a solution containing an etching agent such as KOH diluted to 30% and brought to a temperature of 75 ° C.
  • the silicon is thus etched until a silicon thickness of 50 ⁇ m is left, thus forming the fixed electrode (fig. 15).
  • Rinsing with deionized water is then carried out, followed by conventional cleaning of the surfaces.
  • a main cavity 10 of depth between 1.5 and 2.5 is formed in the manner which will be described in detail below. ⁇ m and for example equal to 1 ⁇ m situated opposite the fixed electrode 15 and at least one secondary cavity 17 intended for the electrical contacts. A second secondary cavity 18 is also formed in the same way in order to make electrical contact with the front face 10a of the wafer 10.
  • photogravure is carried out on the front face of the wafer 10 according to the conventional steps:
  • the layer of silicon nitride 13 is etched by reactive ion attack (RIE) in the presence of ions of sulfur hexafluoride and oxygen (dry etching) then the oxide layer 11 is etched by wet etching in an HF solution / NH4F1: 7.
  • RIE reactive ion attack
  • a small thickness of approximately 2 ⁇ m of the silicon wafer is then etched by reactive ion attack (RIE) in the presence of ions of sulfur hexafluoride and oxygen.
  • RIE reactive ion attack
  • the remaining photosensitive resin layer is removed and the surfaces are conventionally cleaned. As shown in FIG. 16, a central cavity 16 and two secondary cavities 17 and 18 are thus obtained.
  • the step which follows makes it possible to obtain the result illustrated in FIG. 17 and consists in forming at least one layer of electrical insulator 20 with a thickness of between 0.5 and 2.5 ⁇ m in the central cavity 16 and in at least one secondary cavity and for example equal to 1 ⁇ m.
  • an insulating layer 21, 22 is formed in each of the two secondary cavities 17 and 18.
  • the insulating layer with a thickness equal to 1 ⁇ m is for example obtained by thermal oxidation at 1100 ° C of the silicon located at the bottom of the main 16 and secondary cavities 17, 18 at 1100 ° C in a dry atmosphere for 1 hour, then in humid atmosphere for 1 hour 30 minutes and finally in a dry atmosphere for 1 hour.
  • the oxide layer 20 located in the central cavity 16 is etched to form a plurality of holes 23 of small average diameter between 25 and 100 ⁇ m and for example equal to 50 ⁇ m and the oxide layer 22 located in the second secondary cavity 18 is etched in order to make electrical contact with the wafer 10. For this, the following steps are carried out:
  • FIG. 19 illustrates the next step of forming a metal protective layer 24 on the front face 10a of the wafer.
  • This layer 24 for example of aluminum with a thickness equal to 1 ⁇ m, is deposited on the front face by cathodic deposition or evaporation under vacuum.
  • a plurality of orifices 25 is formed in the fixed electrode by performing a dry etching of the silicon of the fixed electrode over its entire thickness. (approximately 50 ⁇ m) by reactive ion attack in the presence of sulfur hexafluoride ions.
  • the penultimate step (fig. 22) consists in carrying out a photoetching of the metallic protective layer 24 so as to form electrical contacts facing the main 16 and secondary cavities 17 and 18. This step is carried out in the manner following: - deposit of a layer of photosensitive resin on the front face,
  • Selective etching of the silicon nitride 14 is carried out on both sides of the wafer 10 by reactive ion etching in the presence of sulfur hexafluoride and the oxide layer by wet etching in a 1: 7 HF / NH4F solution.
  • the internal space, after sealing, has a thickness of between 1 and 5 ⁇ m and for example equal to 3 ⁇ m.
  • FIG. 25 represents a frequency response curve of an ultrasonic transducer according to the invention revealing a perfectly defined resonance peak at a frequency value of 100 kHz. This curve is typically obtained for an ultrasonic transducer having a membrane equal to 0.3 ⁇ m in width equal to 1 mm, whose intrinsic mechanical stress (after annealing) is 200 MPa and which has an internal space of 3 ⁇ m d 'thickness.
  • the method according to the invention makes it possible not only to adjust the resonance frequency of the ultrasonic transducer but also to adjust the bandwidth of said transducer according to the intended application.

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Abstract

L'invention a pour objet un transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il comprend une membrane (4a) en nitrure de silicium d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 νm avec une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa, et une électrode fixe (15) réalisée en matériau rigide non métallique et munie d'une pluralité d'orifices (25) de faible diamètre moyen, ladite électrode fixe définissant avec ladite membrane un espace interne d'épaisseur comprise entre 1 et 5 νm. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel transducteur ultrasonore.

Description

TRANSDUCTEUR ULTRASONORE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL TRANSDUCTEUR
La présente invention est relative à un transducteur ultrasonore constitué d'une membrane et d'une électrode fixe ainsi qu'aux procédés de réalisation desdites membrane et électrode fixe et au procédé de fabrication dudit transducteur ultrasonore à partir de la membrane et de l'électrode fixe.
On connaît deux grandes familles de transducteurs ultrasonores parmi lesquelles on peut citer les transducteurs à effet piézo-électrique qui sont classiquement constitués d'un disque piézo-électrique en céramique monté sur un substrat et muni d'une ou de plusieurs couches d'adaptation d'impédance.
La structure en céramique d'un tel transducteur peut résonner radialement ou suivant son épaisseur ou encore de façon combinée. Ces transducteurs sont très résonants jusqu'à des fréquences supérieures à 100kHz et sur une bande de fréquences étroite mais offrent néanmoins un mauvais rendement en terme de puissance rayonnée.
Les transducteurs ultrasonores de type bimorphe constituent la seconde grande famille et ces transducteurs sont généralement constitués d'une membrane vibrante sous laquelle est disposée un disque piézo- électrique.
Ces transducteurs, plus sensibles que les transducteurs à effet piézo¬ électrique précités, sont très résonnants mais, par contre, ne permettent pas d'atteindre des fréquences de résonance supérieures à 100 kHz.
La Demanderesse s'est aperçue qu'il serait intéressant de pouvoir fabriquer des transducteurs ultrasonores très résonnants avec un pic de résonance défini avec une précision aisément reproductible d'un transducteur à l'autre et suivant un processus de fabrication peu coûteux. Ce pic de résonance devrait pouvoir être obtenu sur la gamme ultrasonore et notamment à partir de 100 kHz. La présente invention a ainsi pour objet un transducteur ultrasonore comprenant une membrane en nitrure de silicium d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5μm avec une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa, et une électrode fixe réalisée en matériau rigide non métallique et munie d'une pluralité d'orifices de faible diamètre moyen, ladite électrode fixe définissant avec ladite membrane un espace interne d'épaisseur comprise entre 1 et 5 μm.
Ce transducteur ultrasonore possède du fait de son procédé de fabrication toutes les qualités requises pour avoir une fréquence de résonance ultrasonore ajustable, supérieure à 20kHz, définie avec une grande précision qui est d'ailleurs parfaitement reproductible. Ceci est dû notamment à la faible masse et à la grande rigidité de la membrane que l'on peut obtenir par le procédé de fabrication. Il est tout à fait possible de conférer à la membrane une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa et ainsi d'ajuster la fréquence de résonance du transducteur ultrasonore à une valeur comprise entre 20 kHz et 1 MHz.
Selon d'autres caractéristiques du transducteur ultrasonore: - la membrane en nitrure de silicium a une épaisseur de préférence comprise entre 0,3 et 0,5 μm,
- l'électrode fixe est réalisée en matériau semiconducteur ou en céramique,
- l'électrode fixe a une épaisseur supérieure à 20 μm, - les orifices de l'électrode fixe ont un diamètre moyen compris entre 25 et 100 μm.
La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une membrane utilisée dans la fabrication du transducteur ultrasonore précité caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes:
- on forme une couche d'isolant électrique sur deux faces opposées dites avant et arrière d'un substrat en matériau semiconducteur,
- on dépose une couche de nitrure de silicium sur chacune des deux couches d'isolant, - on implante ioniquement dans la couche de nitrure de silicium située en face avant dudit substrat un matériau adapté en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de silicium,
- en vue de former une membrane en nitrure de silicium, on réalise les étapes a) à c) suivantes:
- a) on grave sélectivement les couches de nitrure de silicium et d'isolant situées en face arrière du substrat,
- b) on grave de façon anisotrope ledit substrat à partir de sa face arrière, - c) et l'on grave sélectivement la couche d'isolant située en face avant du substrat
- et l'on réalise au moins un contact électrique sur ladite membrane en face arrière du substrat.
Avantageusement, ce procédé inclut une étape d'implantation ionique d'une couche de nitrure de silicium de faible épaisseur, par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,5 μm, qui permet de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche. En effet, les ions ainsi implantés créent des défauts dans la couche de nitrure de silicium, induisant par conséquent un relâchement de la contrainte mécanique intrinsèque.
L'implantation ionique est effectuée avec une dose d'ions provenant d'un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments et, par exemple du Bore, comprise entre 5.1013 et 5.1015 ions/cm2 et l'énergie d'accélération de ces ions est comprise entre 35 et 150 keV.
L'énergie des ions est calculée de façon à obtenir le maximum d'ions à l'interface entre la couche de nitrure de silicium et la couche d'isolant électrique sous-jacente. On effectue ensuite une opération de recuit du substrat revêtu de sa couche de nitrure de silicium implantée ioniquement afin d'augmenter la contrainte mécanique de ladite couche.
Le recuit s'effectue dans une gamme de températures allant de 500 à 800°C pendant une durée comprise entre 15 minutes et quelques heures. Grâce au recuit, il est donc possible d'ajuster de façon précise la fréquence de résonance ultrasonore à la valeur souhaitée. Par ailleurs, le recuit permet d'obtenir une meilleure reproductibilité des valeurs de contraintes mécaniques dans la membrane d'un substrat à l'autre par rapport à une simple implantation ionique.
En outre, lors de la réalisation en série de plusieurs membranes sur plusieurs substrats, il est possible de se contenter d'une implantation ionique excessive identique pour tous les substrats qui va donc fortement réduire les contraintes mécaniques dans les couches de nitrure de silicium et ensuite d'ajuster la contrainte mécanique finale recherchée par des recuits adaptés.
Le recuit permet également d'améliorer la stabilité à long terme de la contrainte mécanique dans la couche de nitrure de silicium et donc d'améliorer la stabilité du futur transducteur ultrasonore. La Demanderesse s'est aperçue qu'il est plus avantageux d'utiliser une couche de nitrure de silicium (membrane) d'épaisseur comprise entre 0,3 et 0, 5 μm afin de réduire sa fragilité et donc d'améliorer son comportement mécanique lors des étapes suivantes de formation de la membrane par gravure ainsi que les autres étapes. De plus, cette gamme d'épaisseur constitue le meilleur compromis possible entre la solidité de la membrane et sa sensibilité, en terme de conversion d'énergie mécanique en énergie acoustique et également de conversion d'énergie acoustique en énergie mécanique. On forme par exemple la couche d'isolant électrique par oxydation thermique des deux faces du substrat et la couche d'isolant a par exemple une épaisseur de 1μm, et cette épaisseur peut même être inférieure à 1μm. La réalisation du contact électrique est obtenue par métallisation de la face arrière du substrat. En outre, préalablement à la réalisation du contact électrique et après gravure anisotropique de la majeure partie du substrat, on enlève par gravure sélective les couches de nitrure de silicium et d'isolant qui restent en face arrière du substrat.
Selon une autre mode de réalisation de l'invention, il est également possible d'envisager, avant de déposer la couche de nitrure de silicium sur la face avant du substrat revêtue d'une couche d'isolant électrique, de graver ladite couche d'isolant sur toute son épaisseur de manière à laisser une couche d'isolant périphérique.
Après cette opération, on effectue le dépôt de la couche de nitrure de silicium, son implantation ionique, éventuellement son recuit et ensuite, on structure ladite couche de nitrure de silicium implantée ioniquement de manière à laisser dégagée la couche d'isolant périphérique qui servira à définir l'espace interne et qui recevra par exemple un agent de scellement tel que du "PYREX" en vue de l'assemblage final du transducteur ultrasonore. Ainsi, ce mode de réalisation permet de mieux contrôler la formation de l'espace interne entre la membrane et une électrode fixe. Toutefois, dans ce mode de réalisation qui sera décrit ultérieurement plus en détails, l'épaisseur de la couche d'isolant électrique qui est par exemple formée par oxydation thermique des deux faces du substrat a une épaisseur qui doit être supérieure à 1μm permettant ainsi de prédéterminer l'épaisseur de l'espace interne.
La présente invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'une électrode fixe utilisée dans la fabrication du transducteur ultrasonore précité, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes à partir d'un substrat en matériau semiconducteur ayant deux faces opposées dites avant et arrière:
- on forme au moins une couche de protection sur la face arrière dudit substrat - on forme l'électrode fixe, d'une part, en gravant sélectivement ladite couche de protection située en face arrière du substrat et, d'autre part, en gravant de façon anisotrope ledit substrat à partir de sa face arrière, après avoir préalablement protégé la face avant vis à vis de la gravure anisotrope, - on grave dans ledit substrat une cavité principale située en regard de ladite électrode fixe et au moins une cavité secondaire destinée aux contacts électriques,
- on forme au moins une couche d'isolant électrique dans la. cavité centrale et dans au moins une cavité secondaire, - on forme une couche de protection métallique en face avant du substrat, - on grave sélectivement au droit de ladite cavité principale lesdites couches métallique, d'isolant et l'électrode fixe de manière à former une pluralité d'orifices dans ladite électrode fixe. La cavité principale a une profondeur comprise entre 1,5 et 2,5 μm. La couche de protection en face arrière du substrat est constituée d'un isolant électrique résistant aux agents de gravure et peut être constituée de nitrure de silicium mais il est alors préférable d'effectuer une implantation ionique de ladite couche avec un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de celle-ci et donc d'adapter cette contrainte à celle du substrat.
Il est également possible de former deux couches de protection sur la face arrière du substrat, une première couche en contact avec ledit substrat étant formée d'un isolant électrique tel qu'un oxyde et une seconde couche de nitrure de silicium sur laquelle il n'est pas nécessaire d'effectuer une implantation ionique puisqu'elle n'est pas en contact direct avec le substrat.
Pour éviter que la face avant ne soit attaquée lors de la gravure anisotrope du substrat par la face arrière, il faut la protéger et l'on peut, par exemple, se contenter d'une protection identique à celle formée en face arrière dudit substrat.
Il est possible de graver dans le substrat au moins deux cavités secondaires, l'une destinée à des contacts électriques de l'électrode fixe et l'autre prévue pour réaliser un contact électrique avec le substrat. On forme ensuite la couche d'isolant électrique dans la cavité principale et dans au moins une cavité secondaire par dépôt d'une couche d'isolant électrique puis par gravure de ladite couche.
On grave notamment la couche d'isolant électrique dans la cavité secondaire prévue pour établir un contact électrique avec le substrat. Après formation d'une couche de protection métallique en face avant du substrat sur les couches d'isolant précités, on grave ladite couche de protection métallique de manière à former des contacts électriques en vis-à-vis des cavités principale et secondaires. Il est également possible de réaliser ultérieurement le contact électrique avec le substrat et par contre de former avant la réalisation de ce contact les orifices de l'électrode fixe mais cela complique davantage le procédé. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du transducteur ultrasonore précité à partir de la membrane et de l'électrode fixe respectivement obtenues par les procédés précédemment mentionnés. Suivant ce procédé de fabrication, on dépose un agent de scellement sur une partie périphérique de la face avant de la membrane ou de l'électrode fixe, on positionne la membrane en vis-à-vis de l'électrode fixe et on les assemble de manière à ce qu'elles forment entre elles un espace interne de faible épaisseur, par exemple comprise entre 1 et 5 μm. L'agent de scellement utilisé peut être une colle, du "PYREX" (marque déposée) ou tout autre agent de scellement approprié. Lorsque l'agent de scellement est du "PYREX", l'assemblage se fait par un scellement anodique et il est donc prévu, avant de déposer le "PYREX", de retirer des faces avant et arrière de l'électrode fixe les parties restantes des diverses couches ayant servi de protection, de retirer de la face avant de la membrane l'éventuelle couche de protection et de former sur les zones non gravées de ladite face avant de l'électrode fixe une couche de protection définitive.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- les figures 1 à 12 sont des vues en coupe transversale représentant chacune une étape importante du procédé de réalisation d'une membrane utilisée pour la fabrication d'un transducteur ultrasonore selon un mode de réalisation de l'invention,
- les figures 13 à 23 sont des vues en coupe transversale représentant chacune une étape importante du procédé de réalisation d'une électrode fixe utilisée pour la fabrication d'un transducteur ultrasonore selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 24 est une vue en coupe transversale représentant le transducteur ultrasonore assemblé selon l'invention,
- la figure 25 représente une courbe de réponse en fréquence d'un transducteur ultrasonore selon l'invention avec une fréquence de résonance à 100 kHz. Dans des conditions de fabrication usuelles, les procédés de réalisation selon l'invention permettent bien évidemment de réaliser simultanément plusieurs membranes et plusieurs électrodes fixes à partir d'un même substrat pour chaque procédé et donc de fabriquer ensuite simultanément plusieurs transducteurs ultrasonores sous la forme d'un réseau de transducteurs.
Toutefois, en vue de simplifier l'exposé qui va suivre, seules une membrane et une électrode fixe seront représentées. On va s'intéresser en premier lieu à la réalisation de la membrane qui va être décrite en référence aux figures 1 à 12.
Comme représenté à la figure 1, on utilise un substrat 1 de résistivité moyenne dopée p, comprise entre 1 et 20 Ω/cm, et par exemple une plaquette de silicium monocristallin dont l'orientation cristalline est du type <100> d'épaisseur égale à 520 μm et qui présente deux grandes faces opposées 1a, 1b dites avant et arrière. Cette plaquette 1 est nettoyée de manière usuelle puis l'on forme sur chacune de ses grandes faces opposées une couche d'isolant électrique 2, 3. Par exemple, on effectue une oxydation thermique du silicium sur par exemple 1μm tel que représenté sur la figure 1. L'étape suivante dont le résultat est illustré à la figure 2 consiste à délimiter l'espace interne qui formera avec la membrane et l'électrode fixe une capacité variable.
Pour ce faire, on dépose une couche de résine photosensible (non représentée), par exemple à la tournette, sur la couche d'oxyde 2 en face avant 1a de la plaquette 1, on effectue un recuit à 60°C, on aligne un masque de photogravure (non représenté), avec ladite plaquette, on insole cette couche de résine à travers ledit masque, on développe la couche de résine insolée avec le masque, on effectue un autre recuit à 120°C, on réalise une gravure de la couche d'oxyde 2 dans la partie centrale à l'aide d'un agent de gravure tel que l'acide fluorhydrique en solution diluée afin de former l'espace interne.
Ensuite, il ne reste plus qu'à retirer la couche de résine photosensible restante puis à nettoyer de manière classique les surfaces. On obtient alors une zone périphérique 2a de la couche d'oxyde définissant en son centre l'espace interne. L'étape suivante (fig.3) du procédé consiste à déposer une couche de nitrure de silicium 4, 5 comprise entre 0,1 et 0,5 μm et par exemple d'environ 0,3 μm sur chacune des deux faces oxydées ou partiellement oxydées de la plaquette 1. Ce dépôt s'effectue par exemple par une technique connue de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD).
On réalise ensuite une implantation ionique, dans la couche de nitrure de silicium 4 située en face avant de la plaquette, d'un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments, comme par exemple le bore en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de silicium (figure 4). On peut également utiliser comme autre matériau adapté pour l'implantation ionique de l'oxygène. Pour cette implantation, on utilise une dose d'ions comprise entre 5.10"! 3 et 5.1015 ions/cm2 et par exemple égale à 2.1015 ions/cm2. L'énergie d'accélération des ions est comprise entre 35 et 150 kev et est par exemple égale à 100 kev. Le choix de la dose d'ions et de l'énergie d'accélération est fait en fonction de leur taille et de leur masse. On mesure, par exemple au moyen de la méthode Blister décrite dans l'article de S.D. Senturia, M. G. Allen and M. Mehregany, "Microfabricated structures for the in-situ measurements of residual stress, Young's moduius, and ultimate strain of the films", Appl. Phys. Lett. 51, (4), (1992), 241-243, la contrainte mécanique intrinsèque de la couche de nitrure de silicium qui fournit une valeur inférieure à 100 MPa.
Comme cela a été expliqué précédemment, on peut souhaiter ajuster avec précision la fréquence de résonance ultrasonore et l'on procède pour cela à une opération de recuit dans un four à une température de 600 °C pendant 30 minutes.
Il convient de noter que le recuit permet donc d'augmenter la contrainte mécanique intrinsèque du nitrure de silicium et d'obtenir avec une grande précision cette contrainte et par là même la fréquence de résonance du futur transducteur ultrasonore, ce qui est très utile si la contrainte a été trop fortement réduite lors de l'implantation ionique ou si la contrainte approche par valeur inférieure la valeur souhaitée mais avec une précision insuffisante.
Grâce au recuit, il n'est donc pas nécessaire de bien maîtriser l'étape d'implantation ionique. Lorsque la contrainte mécanique intrinsèque du nitrure de silicium a été ajustée à la valeur souhaitée qui va permettre d'obtenir avec précision la fréquence ultrasonore de résonance désirée, par exemple 400 MPa, on procède alors à la structuration de cette membrane à partir de la face arrière. Pour cela, on dépose à la tournette une couche de résine photosensible (non représentée) sur la face arrière de la plaquette, c'est à dire sur la face extérieure de la couche 5, on effectue un recuit à 60°C, on aligne un masque de photogravure (non représenté) avec la plaquette, on insole cette couche de résine à travers ledit masque, on développe et on effectue un autre recuit à 120°C.
Ensuite, on grave de manière sélective la couche de nitrure de silicium 5 par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène (gravure sèche), puis la couche d'oxyde 3 par gravure humide dans une solution HF/NH4F 1:7 . On retire ensuite la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie classiquement les surfaces.
Comme représenté sur la figure 5, on obtient alors une zone périphérique formée d'une partie 5a de la couche de nitrure de silicium et d'une partie 3a de la couche d'oxyde laissant dégagée sur une zone centrale la face arrière 1 b de la plaquette 1.
On effectue ensuite une photogravure en face avant de la plaquette de manière à graver la couche 4 de nitrure de silicium pour faire apparaître la zone périphérique 2a de la couche d'oxyde 2. Cette photogravure est identique à celle décrite précédemment et comporte les étapes suivantes:
- dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant,
- recuit à 60°C,
- insolation à travers un masque,
- développement, - recuit à 120°C. La couche 4 de nitrure de silicium est gravée par attaque ionique réactive en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène puis l'on enlève la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie classiquement les surfaces (figure 6).
Comme représenté sur la figure 7, on dépose par dépôt cathodique ou par évaporation sous vide une couche 6 de "PYREX 7740" (marque déposée) comprise entre 1 et 3 μm et par exemple de 2 μm. On effectue ensuite une photogravure en face avant de la plaquette 1 de manière à graver la couche 6 de "PYREX" pour faire apparaître la zone centrale restante 4a de la couche 4 de nitrure de silicium implantée ioniquement et ainsi former une zone périphérique 6a de la couche de "PYREX" (figure 8). Cette photogravure est effectuée selon les étapes explicitées précédemment:
- dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant,
- recuit à 60°C,
- insolation à travers un masque,
- développement, - recuit à 120°C.
La couche 6 de "PYREX" est alors gravée (gravure humide) dans une solution de HF dilué.
Il faut toutefois préciser que si l'on n'utilise pas le "PYREX" comme agent de scellement, on peut se passer de l'étape illustrée par la figure 2 qui consiste à préformer l'espace interne en structurant une zone périphérique 2a de la couche d'oxyde 2 en face avant de la plaquette 1. Dans ce cas, l'agent de scellement qui peut être une colle et par exemple un polyimide ou une résine époxy, n'est déposé qu'après avoir réalisé la membrane et l'électrode fixe, juste avant l'assemblage.
Une autre variante pourrait consister à préformer l'espace interne en structurant une zone périphérique 2a de la couche d'oxyde 2 en face avant de la plaquette 1 comme déjà décrit mais à ne déposer la couche de "PYREX" qu'après avoir réalisé la membrane et l'électrode fixe. Pour cette variante, il convient toutefois de graver cette couche de "PYREX" avant d'envisager le scellement de la membrane et de l'électrode fixe.
Maintenant, on va s'intéresser à la structuration de la membrane en nitrure de silicium qui est réalisée à partir de la face arrière 1b de la plaquette tel que représenté aux figures 9 à 11. Suivant une première étape (fig.9), on grave de façon anisotrope la plaquette 1 en silicium à partir de sa face arrière 1 b dégagée, à l'aide d'une solution contenant l'agent de gravure KOH dilué à 30% et portée à une température de l'ordre de 70 à 90°C.
Comme représenté sur la figure 9, on grave la plaquette 1 jusqu'à obtenir une épaisseur de silicium par exemple de 5 μm avant d'atteindre la zone centrale 4a de la couche de nitrure de silicium 4.
Pendant cette étape, on peut prévoir de protéger, par exemple mécaniquement avec une plaque de verre, la face avant 1a de la plaquette.
On effectue ensuite un rinçage à l'eau déionisée puis l'on retire l'éventuelle protection en face avant et l'on nettoie de manière classique les surfaces.
Une deuxième étape (fig.10) consiste alors à éliminer de la face arrière
1b de la plaquette les zones périphériques 3a et 5a des couches respectives d'oxyde et de nitrure de silicium. On peut réaliser cette étape par gravure sélective, d'une part, par attaque ionique réactive en présence d'ions hexafluorure de la zone 5a de la couche de nitrure de silicium et, d'autre part, par gravure humide dans une solution
HF/NH4F1 :7 de la zone 3a de la couche d'oxyde 3.
Il convient de noter qu'il est préférable de réaliser cette étape lorsque toute l'épaisseur de silicium n'a pas été gravée tel que cela vient d'être décrit pour ne pas endommager la membrane et plus particulièrement la zone centrale 4a de la couche 4.
Toutefois, cette étape peut être réalisée après gravure totale du. silicium mais elle s'avère plus délicate pour les raisons exposées ci-dessus. La figure 11 représente la troisième étape de structuration de la membrane qui consiste à effectuer une autre gravure anisotrope dans 13
une solution contenant l'agent de gravure KOH dilué à 30% et portée à une température de 80°C à partir de la face arrière 1b déjà partiellement gravée pour enlever la dernière épaisseur restante de silicium et ainsi dégager la zone centrale 4a de la couche 4. Ensuite on rince à l'eau déionisée les surfaces et l'on nettoie de manière classique.
On peut bien sûr protéger comme déjà précisé la face avant 1a de la plaquette 1 pendant cette troisième étape. Il ne reste plus alors qu'à réaliser au moins un contact électrique sur la face arrière structurée de la plaquette 1.
Pour ce faire, on métallisé, par exemple, toute la face arrière de la plaquette comme représenté sur la figure 12 avec une couche 7 formée d'un alliage de Nickel, de Chrome et d'Or sur environ 0,05 μm, le chrome étant disposé au contact de la face arrière de la plaquette sur environ 0,005 μm.
Cette couche de métallisation 7 peut s'effectuer par dépôt cathodique ou par évaporation sous vide.
On va maintenant décrire en référence aux figures 13 à 23, le procédé de réalisation de l'électrode fixe.
Comme représenté à la figure 13, on utilise un substrat 10 de résistivité moyenne dopée p, comprise entre 1 et 20 Ω/cm, et par exemple une plaquette de silicium monocristallin dont l'orientation cristalline est du type <100>, d'épaisseur égale à 520μm et qui présente deux grandes faces opposées 10a et 10b dites avant et arrière.
Cette plaquette 10 est nettoyée de manière usuelle puis l'on forme au moins une couche de protection constituée d'un isolant électrique résistant aux agents de gravure sur la face arrière 10b de ladite plaquette. On forme par exemple deux couches de protection sur chaque face 10a, 10b de la plaquette.
Une première couche 11, (resp.12) est formée par oxydation thermique du silicium en face avant 10a (resp. en face arrière 10b) sur une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 μm et par exemple égale à 0,2 μm. Une seconde couche 13, (resp.14) d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 μm, par exemple égale à 0,2 μm, est formée sur la couche 11 (resp.12) par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (fig. 13). Ainsi que représenté sur la figure 14, on procède à la première étape de réalisation de l'électrode fixe par une gravure sélective des couches de protection de nitrure de silicium 14 et d'oxyde 12 situées sur la face arrière 10b de la plaquette 10. Pour ce faire, on effectue une photogravure de la face arrière 10b en réalisant les étapes déjà décrites en détail lors de la réalisation de la membrane:
- dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant,
- recuit à 60°C, - insolation à travers un masque,
- développement,
- recuit à 120°C.
La couche 14 de nitrure de silicium est gravée par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions hexafluorure de soufre et d'oxygène (gravure sèche) puis la couche 12 d'oxyde est gravée par gravure humide dans une solution HF/NH4F 1:7.
On retire ensuite la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie de manière classique les surfaces.
La figure 14 montre que l'on a gravé les couches de protection dans leur partie centrale pour dégager la partie centrale de la face arrière 10b de la plaquette qui va faire l'objet d'une attaque anisotrope.
Les parties restantes respectives 12a et 14a des couches de protection
12 et 14 forment une zone périphérique.
L'étape suivante consiste à effectuer une gravure anisotrope de la plaquette de silicium 10 à partir de sa face arrière 10b avec une solution contenant un agent de gravure tel que KOH dilué à 30% et portée à une température de 75°C. On grave ainsi le silicium jusqu'à laisser une épaisseur de silicium de 50 μm formant ainsi l'électrode fixe (fig. 15).
Un rinçage à l'eau déionisée est ensuite effectué puis un nettoyage classique des surfaces.
Évidemment, il est possible de protéger la surface située en face avant de la plaquette avec une plaque de verre pendant la gravure KOH. Consécutivement, on forme de la manière qui va être décrite en détail ci- après une cavité principale 10 de profondeur comprise entre 1,5 et 2,5 μm et par exemple égale à 1 μm située en regard de l'électrode fixe 15 et au moins une cavité secondaire 17 destinée aux contacts électriques. Une deuxième cavité secondaire 18 est également formée de la même manière en vue de réaliser un contact électrique avec la face avant 10a de la plaquette 10. Ainsi, on effectue une photogravure en face avant de la plaquette 10 suivant les étapes classiques:
- dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant,
- recuit à 60°C,
- insolation à travers un masque, - développement,
- recuit à 120°C.
La couche de nitrure de silicium 13 est gravée par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène (gravure sèche) puis la couche d'oxyde 11 est gravée par gravure humide dans une solution HF/NH4F1 :7.
Une faible épaisseur d'environ 2 μm de la plaquette de silicium est ensuite gravée par attaque ionique réactive (RIE) en présence d'ions d'hexafluorure de soufre et d'oxygène. On retire la couche de résine photosensible restante et l'on nettoie de manière classique les surfaces. Comme représenté sur la figure 16, on obtient ainsi une cavité centrale 16 et deux cavités secondaires 17 et 18.
L'étape qui va suivre permet d'obtenir le résultat illustré à la figure 17 et consiste à former au moins une couche d'isolant électrique 20 d'épaisseur comprise entre 0,5 et 2,5 μm dans la cavité centrale 16 et dans au moins une cavité secondaire et par exemple égale à 1 μm.
Par exemple, on forme une couche d'isolant 21, 22 dans chacune des deux cavités secondaires 17 et 18.
La couche d'isolant d'épaisseur égale à 1 μm est par exemple obtenue par oxydation thermique à 1100°C du silicium situé au fond des cavités principale 16 et secondaires 17, 18 à 1100°C en atmosphère sèche pendant 1 heure, puis en atmosphère humide pendant 1 heure 30 et enfin en atmosphère sèche pendant 1 heure.
Ainsi que représenté à la figure 18, on grave la couche d'oxyde 20 situé dans la cavité centrale 16 pour former une pluralité de trous 23 de faible diamètre moyen compris entre 25 et 100 μm et par exemple égal à 50 μm et l'on grave la couche d'oxyde 22 située dans la deuxième cavité secondaire 18 afin de réaliser un contact électrique avec la plaquette 10. Pour cela on effectue les étapes suivantes:
- dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant 10a, - recuit à 60°C,
- insolation à travers un masque,
- développement,
- recuit à 120°C.
- gravure des couches d'oxyde 20, 22 à l'aide d'une solution HF/NH4F1:7
- retrait de la couche de résine photosensible restante
- nettoyage classique des surfaces.
La figure 19 illustre l'étape suivante de formation d'une couche de protection métallique 24 en face avant 10a de la plaquette.
Cette couche 24 par exemple en aluminium d'épaisseur égale à 1μm est déposée en face avant par dépôt cathodique ou évaporation sous vide.
On procède ensuite à la photogravure des couches métallique 24 et d'oxyde 20 de la manière classique: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant,
- recuit à 60°C,
- insolation à travers un masque,
- développement,
- recuit à 120°C, - gravure dans l'acide phosphorique de l'aluminium et de l'oxyde situé au droit des trous 23 formés à l'étape correspondant à la figure 18 de manière à reformer ces trous (fig.20),
- rinçage à l'eau déionisée,
- retrait de la couche de résine photosensible restante et nettoyage classique.
Lors de l'étape suivante dont le résultat est illustré à la figure 21 , on procède à la formation d'une pluralité d'orifices 25 dans l'électrode fixe en effectuant une gravure sèche du silicium de l'électrode fixe sur toute son épaisseur (environ 50 μm) par attaque ionique réactive en présence d'ions d'hexafluorure de soufre. L'avant dernière étape (fig. 22) consiste à effectuer une photogravure de la couche de protection métallique 24 de manière à former des contacts électriques en vis à vis des cavités principale 16 et secondaires 17 et 18. Cette étape est réalisée de la manière suivante: - dépôt d'une couche de résine photosensible en face avant,
- recuit à 60°C,
- insolation à travers un masque,
- développement, - recuit à 120°C, - gravure de l'aluminium dans l'acide phosphorique,
- rinçage à l'eau déionisée,
- retrait de la couche de résine photosensible restante et nettoyage classique.
On obtient ainsi des contacts électriques 30 dans la cavité secondaire 17, des contacts électriques 31 dans la cavité principale 16 entre les trous 23 en contact direct avec la face 10a de la plaquette 10. On retire ensuite lors de la dernière étape (fig. 23) les parties restantes 12a et 14a des couches de protection 12 et 14 en face arrière et les parties restantes des couches de protection 11 et 13 en face avant de la plaquette 10.
On procède sur les deux faces de la plaquette 10 à une gravure sélective du nitrure de silicium 14 par attaque ionique réactive en présence d'hexafluorure de soufre et de la couche d'oxyde par gravure humide dans une solution HF/NH4F 1:7.
Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit et où l'on a déposé la couche 6 de "PYREX" lors de la formation de la membrane, on procède alors à la fabrication du transducteur ultrasonore 38 (fig.24) en nettoyant préalablement de manière classique les deux faces avant respectives de la membrane et de l'électrode fixe, en alignant ladite membrane et ladite électrode fixe, c'est à dire en positionnant la membrane 4a en vis-à-vis de l'électrode fixe 15 et en les mettant en contact l'une avec l'autre de manière à ce qu'elles forment entre elles un espace interne 40 de faible épaisseur. On effectue ensuite un scellement anodique de la membrane et de l'électrode fixe de la manière décrite dans l'article "Silicon-to-silicon anodic bonding with a borosilicate glass layer", Anders Hanneborg, Martin Nese and Per Ohlckers, J. Micromech. Microeng.1 (1991) 139- 144".
L'espace interne, après scellement, a une épaisseur comprise entre 1 et 5 μm et par exemple égale à 3 μm.
Le fait d'obtenir avec précision un espace interne de faible épaisseur permet d'obtenir un bon rendement en terme de conversion d'énergie électrique en énergie mécanique et inversement. Avantageusement, en raison de cette faible épaisseur et de la faible épaisseur de membrane, on obtient un transducteur ultrasonore qui possède un très bon rendement et qui consomme donc relativement peu d'énergie électrique.
Comme cela a été déjà mentionné, il est également possible d'assembler la membrane et l'électrode fixe au moyen d'un autre agent de scellement tel qu'un polyimide qui est alors déposé par exemple manuellement sur la membrane ou l'électrode fixe. La membrane et l'électrode fixe sont ensuite alignées comme décrit ci- dessus et solidarisées par chauffage à une température de 300°C. La figure 25 représente une courbe de réponse en fréquence d'un transducteur ultrasonore selon l'invention révélant un pic de résonance parfaitement défini à une valeur de fréquence de 100 kHz. Cette courbe est obtenue typiquement pour un transducteur ultrasonore ayant une membrane d'épaisseur égale à 0,3 μm de largeur égale à 1mm, dont la contrainte mécanique intrinsèque (après recuit) est de 200 MPa et qui possède un espace interne de 3 μm d'épaisseur.
Il convient de remarquer que le procédé selon l'invention permet non seulement d'ajuster la fréquence de résonance du transducteur ultrasonore mais également d'ajuster la largeur de bande dudit transducteur en fonction de l'application envisagée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il comprend - une membrane (4a) en nitrure de silicium d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5μm avec une contrainte mécanique intrinsèque comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa,
- une électrode fixe (15) réalisée en matériau rigide non métallique et munie d'une pluralité d'orifices (25) de faible diamètre moyen, ladite électrode fixe définissant avec ladite membrane un espace interne d'épaisseur comprise entre 1 et 5 μm.
2. Transducteur ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (4a) en nitrure de silicium a une épaisseur de préférence comprise entre 0,3 et 0,5 μm.
3. Transducteur ultrasonore selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la contrainte mécanique intrinsèque de la membrane en nitrure' de silicium est de préférence comprise entre 100 et 600MPa.
4. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode fixe est réalisée en matériau semiconducteur.
5. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode fixe (15) est réalisée en matériau céramique.
6. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode fixe (15) à une épaisseur supérieure à 20 μm.
7. Transducteur ultrasonore selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les orifices (25) de l'électrode fixe (15) ont un diamètre moyen compris entre 25 et 100 μm.
8. Procédé de réalisation d'une membrane utilisée dans la fabrication d'un transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes:
- on forme une couche d'isolant électrique (2, 3) sur deux faces opposées dites avant (1a) et arrière (1b) d'un substrat (1) en matériau semiconducteur,
- on dépose une couche de nitrure de silicium (4, 5) sur chacune des deux couches d'isolant (2, 3),
- on implante ioniquement dans la couche de nitrure de silicium située en face avant (4) dudit substrat un matériau adapté en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de silicium,
- en vue de former une membrane (4a) en nitrure de silicium, on réalise les étapes a) à c) suivantes: - a) on grave sélectivement les couches de nitrure de silicium (5) et d'isolant (3) situées en face arrière du substrat,
- b) on grave de façon anisotrope ledit substrat (1) à partir de sa face arrière (1b),
- c) et ion grave sélectivement la couche d'isolant (2) située en face avant du substrat
- et l'on réalise au moins un contact électrique (7) sur ladite membrane en face arrière du substrat.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on forme la couche d'isolant électrique (2, 3) par oxydation thermique des deux faces du substrat (1).
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque couche d'isolant (2, 3) a une épaisseur supérieure à 1μm.
11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque couche de nitrure de silicium (4, 5) a une épaisseur comprise entre 0,1 et O.δ μm.
12. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que chaque couche de nitrure de silicium (4, 5) a une épaisseur de préférence comprise entre 0,3 et 0,5 μm.
13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que le matériau adapté appartient aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments et est, par exemple, le Bore.
14. Procédé selon les revendication 8 et 13, caractérisé en ce que l'implantation ionique est effectuée avec une dose d'ions comprise entre 5.1013 et 5.1015ions/cm2.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que l'implantation ionique est effectuée avec une énergie d'accélération des ions comprise entre 35 et 150 keV.
16. Procédé selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que l'on effectue un recuit du substrat (1) consécutivement à l'implantation ionique en vue d'ajuster la contrainte intrinsèque de la couche de nitrure de silicium (4) à une valeur prédéterminée désirée comprise entre 100 MPa et 1,3 GPa et de préférence comprise entre 100 et 600 MPa.
17. Procédé selon la revendications 16, caractérisé en ce que le recuit est effectué à une température comprise entre 500 et 800°C pendant une durée allant de 15 mn à plusieurs heures.
18. Procédé selon l'une des revendications 8 à 17, caractérisé en ce que la réalisation du contact électrique (7) est obtenue par métallisation de la face arrière (1b) du substrat.
19. Procédé selon l'une des revendications 8 à 17, caractérisé en ce que préalablement au dépôt de la couche de nitrure de silicium (4) sur la face avant (1a) du substrat revêtue d'une couche d'isolant (2) on grave ladite couche d'isolant sur toute son épaisseur de manière à laisser une couche d'isolant périphérique (2a).
20. Procédé selon les revendications 8 et 19, caractérisé en ce que l'on structure la couche de nitrure de silicium (4) implantée ioniquement de manière à laisser dégagée la couche d'isolant périphérique (2a).
21. Procédé selon l'une des revendications 8 à 20, caractérisé en ce que préalablement à la réalisation d'un contact électrique (7) sur la face arrière (1b) du substrat et après gravure anisotropique de la majeure partie du substrat, on enlève par gravure sélective les couches de nitrure de silicium (5) et d'isolant (3) qui restent sur ladite face arrière.
22. Procédé de réalisation d'une électrode fixe utilisée dans la fabrication d'un transducteur ultrasonore (38), caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes à partir d'un substrat
(10) en matériau semiconducteur ayant deux faces opposées dites avant (10a) et arrière (10b):
- on forme au moins une couche de protection sur la face arrière (10b) dudit substrat (10) - on forme l'électrode fixe (15), d'une part, en gravant sélectivement ladite couche de protection située en face arrière du substrat (10) et, d'autre part, en gravant de façon anisotrope ledit substrat (10) à partir de sa face arrière, après avoir préalablement protégé la face avant (10a) vis à vis de la gravure anisotrope, - on grave dans ledit substrat une cavité principale (16) située en regard de ladite électrode fixe (15) et au moins une cavité secondaire destinée aux contacts électriques,
- on forme au moins une couche d'isolant électrique (20) dans la cavité principale et dans au moins une cavité secondaire, - on forme une couche de protection métallique (24) en face avant
(10a) du substrat (10),
- on grave sélectivement au droit de ladite cavité principale lesdites couches de protection métallique (24), d'isolant et l'électrode fixe (15) de manière à former une pluralité d'orifices (25) dans ladite électrode fixe.
23. Procédé selon la revendication 22 caractérisé en ce que la couche de protection est constituée d'un isolant électrique résistant aux agents de gravure.
24. Procédé selon la revendication 22 ou 23 caractérisé en ce que la couche de protection est constituée de nitrure de silicium.
25. Procédé selon les revendications 22 et 24, caractérisé en ce que l'on implante ioniquement dans la couche de protection en nitrure de silicium un matériau appartenant aux colonnes III à V de la classification périodique des éléments en vue de diminuer la contrainte mécanique intrinsèque de ladite couche de nitrure de silicium.
26. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'on forme deux couches de protection (12, 14) sur la face arrière du substrat (10), une première couche (12) d'un isolant électrique en contact avec ledit substrat et une seconde couche de nitrure de silicium (14). •
27. Procédé selon l'une des revendications 22 à 26, caractérisé en ce que l'on protège la face avant (10a) du substrat (10) vis à vis de la gravure anisotrope en formant au moins une couche de protection sur ladite face avant.
28. Procédé selon l'une des revendications 22 à 27, caractérisé en ce que la cavité principale (16) a une profondeur comprise entre 1,5 et 2,5 μm.
29. Procédé selon l'une des revendications 22 à 28, l'on grave dans le substrat (10) au moins deux cavités secondaires (17, 18), l'une destinée à des contacts électriques (31) de l'électrode fixe (15) et l'autre (18) prévue pour réaliser un contact électrique (32) avec le substrat (10).
30. Procédé selon l'une des revendications 22 à 29, caractérisé en ce que l'on forme la couche d'isolant électrique (20) dans la cavité principale et dans au moins une cavité secondaire par dépôt d'une couche d'isolant électrique puis par gravure de ladite couche.
31. Procédé selon les revendications 29 et 30, caractérisé en ce que l'on grave la couche d'isolant électrique (22) dans la cavité secondaire (18) prévue pour établir un contact électrique (32) avec le substrat (10).
32. Procédé selon l'une des revendications 22 à 31, caractérisé en ce que l'on grave la couche de protection métallique (24) de manière à former des contacts électriques (30, 31, 32) en vis-à-vis des cavités principale (16) et secondaires (17, 18).
33. Procédé de fabrication d'un transducteur ultrasonore (38) à partir de la membrane (4a) et de l'électrode fixe (15) respectivement réalisées selon l'une des revendications 8 à 21 et selon l'une des revendications 22 à 32, suivant lequel on dépose un agent de scellement sur une partie périphérique de la face avant de ladite membrane ou de ladite électrode fixe, on positionne la membrane en vis-à-vis de l'électrode fixe et on les assemble de manière à ce qu'elles forment entre elles un espace interne (40) de faible épaisseur.
34. Procédé selon la revendication 33, caractérisé en ce que l'espace interne (40) ainsi formé a une épaisseur comprise entre 1 et 5 μm.
35. Procédé selon la revendication 33 ou 34, caractérisé en ce que l'agent de scellement est une colle.
36. Procédé selon la revendication 33 ou 34, caractérisé en ce que l'agent de scellement est du "PYREX".
37. Procédé selon les revendications 26 et 36, caractérisé en ce que préalablement au dépôt de l'agent de scellement, on retire des 25
faces avant et arrière de l'électrode fixe (15) les parties restantes des couches servant de protection, on retire de la face avant de la membrane (4a) l'éventuelle couche de protection et l'on forme une autre couche de protection sur les zones non gravées de ladite face avant de l'électrode fixe.
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